A hőtároló tömeg és az idő
A tervezés egyik fontos fázisaként meghatározzuk az épület energiamérlegét (a hőnyereségek és hőveszteségek arányát mondjuk havi bontásban), amiből arra tudunk következtetni, hogy milyen teljesítményű berendezésekre lesz szükségünk az adott épület fűtéséhez, hűtéséhez. Ezeknél a számításoknál feltételezzük, hogy az energiamérleget befolyásoló tényezők az időben (mondjuk óránkénti bontásban) nem változnak, vagyis
- a belső és külső hőmérsékletet
- a napsugárzás intenzitását
- a bent lévő emberek számát, tevékenységét
- a világítás hőterhelését
- a gépek hőterhelését
csak valamilyen átlagos értékkel tudjuk kezelni.
Ez azonban a valóságban nem így van, hiszen tudjuk, hogy nem mindegy, hogy verőfényes napsütés vagy éppen borult idő van-e, hogy hányan vagyunk egy szobában és hány háztartási kütyü ontja magából a hőt stb.
Itt jön képbe az épületek szerkezetének az a hőtechnikai szempontból aktív része, ami képes magába jelentős mennyiségű hőt raktározni és ezáltal a belső térben csillapítja a külső hőmérséklet ingadozásait. Vagyis itt nem a szerkezet teljes tömege számít, hanem a falaknak és födémeknek csak egy része, mondjuk a vastagságuk fele. A belső oldali hőszigetelést egyebek mellett (páratartalom, hőhidak alakulása) azért nem szeretjük , mert ebben az esetben a szerkezet nagy része - hiába nehézszerkezet- a hőtároló tömeg szempontjából elveszik, hiszen épp ez a hőszigetelés lényege, hogy kint rekeszti a hőt. (A belső hőszigetelésről az ICF technológiánál írunk majd bővebben is)
Egyértelmű, hogy a hőtároló tömeg néha a segítségünkre van (boros pince nyáron), néha viszont épp ellenkezőleg (időszakosan használt, kifűthetetlen katedrális télen).
Nagyon is mindennapi példánál maradva egy nagy hőtároló tömegű épületben később kezdődik a fűtési szezon viszont tovább tart. Kánikula idején a belső hőmérséklet sokkal később válik elviselhetetlenné, de látni fogjuk, hogy ez azon is múlik, hogy hogyan használjuk a házat. A kérdés tehát abban rejlik, hogy éves szinten jól járunk-e ezekkel az időbeli késleltetésekkel vagy sem.
Az Energia Központ szimulálta a helyzetet
Átlagos nyári napokon egy nagy hőtárolótömegű épület belső klímája azért marad elviselhető, mert a falak a napközben elraktározott hőt éjszaka sugározzák ki magukból (a szerkezettől és a hőmérsékletektől függ, hogy pontosan mekkora késleltetéssel, minél nagyobb a hőtároló tömeg annál később), de ha ilyenkor szellőztetünk és beengedjük a hűsebb éjszakai levegőt akkor ez az energiatöbblet sokkal kevesebb kényelmetlenséget okoz, mintha a napi csúcshőmérséklet csillapításában a falak egyáltalán nem vennének részt.
Az Energia Központ azt vizsgálta, hogy milyen hatással van az épület hőtároló tömege a passzív hűtési technológiák alkalmazásának hatékonyságára, valamint az épület éves fűtési-, hűtési energiaigényére. A vizsgálathoz egy kereskedelmi forgalomban nem kapható szimulációs szoftvert használtak, aminek a segítségével valós magyarországi időjárási adatokra tudták méréseiket alapozni.
Egy könnyűszerkezetes épületet (acélváz, üveggyapot, OSB lapok, polisztirol szigetelés; U= 0,38 W/m2K),
egy hagyományos, nehéznek titulált szerkezetű épületet (38 cm üreges kerámia tégla, U= 0,45 W/m2K) és
egy extra nehéz szerkezetű beton falakból és födémekből épült, hőszigetelt épülete (U= 0,32 W/m2K)
hasonlítottak össze különböző passzív hűtési technikák mellett. Passzív hűtés alatt ez esetben a professzionálisan időzített árnyékolást és a szellőztetést értjük.
példa extra nehéz szerkezetre
11 napos nyári csúcshőmérséklet vizsgálat
A nyár legmelegebb 11 napját vizsgálva még nem volt egyértelműen meghatározható, hogy megéri-e nehéz szerkezetet alkalmazni, az azonban a közvélekedésnek megfelelően beigazolódott, hogy a nehéz szerkezetnél:
- lassabb a belső levegő felmelegedése, de a lehűlési szakasz is hosszabb
- nagyobb a hőmérsékletcsúcs fáziskésése, aminek akkor van nagy jelentősége, ha az extrém magas hőmérséklet viszonylag rövid ideig tart.
A belső árnyékoló nem segít,
a belső levegő ugyanolyan mértékben fog felmelegedni, mintha nem is árnyékolnánk egyáltalán. Ennél talán kevésbé köztudott az az eredmény, mely szerint a hőszigetelő réteg nélküli, üreges kerámiatégla a póruzus szerkezetnek köszönhetően nagyon hasonlóan viselkedik a könnyűszerkezetekhez. Vagyis hiába számít nehéznek a szerkezet, a hőtároló tömege viszonylag kicsi.
A nagy hőtároló tömeg önmagában még nem elég...
Az egész éves vizsgálat eredményeit tekintve kiderül, hogy az igazán masszív szerkezetű épület válik a legelviselhetetlenebbé, hogyha nem használják megfelelően a külső árnyékolókat és hogyha nem szellőztetnek. Ezzel a két egyszerű passzív hűtési technikával kombinálva azonban jelentős komfortnövekedés és fosszilis energiahordozó csökkenés érhető el, a fontos tehát az, hogy jól üzemeltessük az épületet.
... de nagyon is szükség van rá
Éves szinten akkor érjük el a legnagyobb megtakarítást, hogyha extra nehéz szerkezetből építkezünk (pl hőszigetelt zsalukő falazat) és gondoskodunk az árnyékolásról, szellőztetésről. Ennek a szerkezetnek ugyanis a legnagyobb a szoláris energia hasznosítása, ami télen egyértelmű előny, nyáron viszont csak akkor válik előnnyé, ha a passzív hűtési technikákat is megfelelően alkalmazzuk.
Az összehasonlítás eredményeként éves szinten 25 %-kal csökkenthető az energiafelhasználás, ha a hőszigetelés nélküli tégla fal helyett extra nehéz és hőszigetelt szerkezetet alkalmazunk és ezt passzív hűtési technikákkal egészítjük ki. A megtakarítás nagyobb része származik abból az előnyből, hogy nincs szükség fosszilis energiával működő hűtőberendezésre és csak kisebb hányad származik a fűtési energiafelhasználás lefaragásából.
Azt azonban nem szabad elfelejteni, hogy a két szerkezet nemcsak jellegében különbözik, hanem a hőátbocsátási tényezőjük is különböző (lásd fentebb), vagyis a 25%-os megtakarítás is valamivel kisebb lenne, ha azonos U-értékű szerkezeteket vennénk górcső alá.
Amerikában a könnyűszerkezet dívik
Szemben az európai masszív falas építkezési tradíciókkal az Új Világban a könnyűszerkezetes építési stílus hódít, azon belül is leginkább a fa vázszerkezet amit ásványgyapot szigeteléssel töltenek ki. Az uralkodó építési módot nyilván az is nagy mértékben meghatározza, hogy az adott helyen mely építőanyagok állnak rendelkezésre, nálunk sem véletlenül a tégla és a vályog terjedt el. Olaszországban hasonló okok miatt az utóbbi évtizedekben nagy fejlődésnek indult a fémvázas, könnyű épületszerkezet.
Az Energia Központ megállapításaival nagyjából összhangban van az az amerikai kutatás, ami során azt vizsgálták, hogy vajon mivel érdemes helyettesíteni a könnyűszerkezetet. Egész röviden összefoglalva az eredményeket, a lényeg, hogy mindenképpen érdemes nehéz szerkezetből építkezni. Ezen belül azt kutatták, hogy ez a bizonyos szerkezet milyen legyen a hőszigetelés és a tartóváz egymáshoz viszonyított elhelyezését illetően.
Következzék sorrendben, hogy az éves energiafelhasználást és a komfort tényezőket is figyelembe véve mit érdemes választanunk:
Legjobb megoldás: beton-hőszigetelés-beton
Második jó megoldás: hőszigetelés-beton, vagyis külső oldali hőszigetelés
Harmadik megoldás: hőszigetelés-beton-hőszigetelés, vagyis ICF technológia
Legkevésbé jó megoldás: beton-hőszigetelés, vagyis belső oldali hőszigetelés
Magyarországi időjárásra érvényes pontos százalékos értékeket biztos, hogy nem merünk kijelenteni az amerikai adatok alapján, azt viszont sikerült leszűrni, hogy minél magasabb az éves középhőmérséklet, annál nagyobb jelentősége van annak, hogy a hőszigetelés a tartószerkezet belső vagy külső oldalán van, természetesen utóbbi javára.
Első számú következtetésünk tehát, hogy a könnyűszerkezet főleg ott nem jó, ahol nagyon meleg van. Második számú következtetésünk pedig, hogy a hőtároló tömeget ne rontsuk le belső oldali hőszigeteléssel.
A modern gépészet háttérbe szorítja a hőtároló tömeg szerepét?
Egy régi ház esetén, ahol mondjuk hagyományos módon este megrakták a tüzet, szinte elengedhetetlen volt a nagy hőtároló tömeg, hiszen hosszú órákon át csak a falaknak kellett megtartania a hőt. Ez lényegesen megváltozott, hiszen a mai berendezések már sokkal folyamatosabb terhelés mellett üzemelnek és gyakran van szellőztető berendezés, akár még hővisszanyerős is. Mindezt összevetve biztos, hogy egy könnyűszerkezetes ház is lehet energiahatékony és komfortos, de mi igyekszünk olyan épületszerkezetekben gondolkodni, ami gépészet nélkül is minél inkább megállja a helyét, hiszen Murphy megmondta, hogy ami elromolhat az egyszer el is romlik..
Szorosan kapcsolódik a témához, úgyhogy hamarosan megosztjuk az ICF technológiáról és a PCM, azaz fázisváltó anyagokról szerzett eddigi ismereteinket is. Addig is, hogy ne legyen olyan nagy rejtély, hogy mi is az az ICF technológia, érdemes elolvasni korábbi bejegyzéseinket.
A cikk megírásához a Simon Tamás gépészmérnök (Energia Központ) által vezetett kutatásból sokat merítettünk, köszönet érte.
Kapcsolódó témák:
Hogyan válasszunk falazatot, ha a hőszigetelés mellett a hangszigetelés is fontos?